JP2007078058A - マイクロバルブの保持方法および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 落下などの衝撃に対しても強く、確実に水素をシールすることができ、信頼性が高く安定的に燃料供給可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】 収納部１９に半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブ１５を有する燃料電池であって、前記マイクロバルブ１５の開閉方向に弾性シール部材１６を用いて保持されているマイクロバルブ１５を有する燃料電池。前記マイクロバルブが、燃料タンクから燃料極へ供給する燃料ガスの圧力調整を行うバルブである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロバルブの保持方法および燃料電池に関する。詳しくは半導体加工技術を用いて製造した圧力調整機構を有するマイクロバルブの保持方法および前記マイクロバルブを保持してなる燃料電池に関するものである。

燃料電池装置は体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性があり、さらに燃料を充填することにより、携帯電話、ノートＰＣ等小型電子機器の長時間連続使用が可能となるため期待されている。

燃料電池セルは、電解質膜の対向する面に触媒を有する燃料極と、触媒を有する酸化剤極が配置され、燃料極側に水素ガスなどの燃料を供給し、酸化剤極側に酸素ガスなどの酸化剤を供給し、電解質膜を介してこれらの反応剤を電気化学的に反応させる。

特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。

その第一の方法は水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ³程度となる。第二の方法は水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。第三の方法は水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。

前述の高分子電解質膜は、その機械的強度を保ち、また燃料ガスが透過しないようにするために通常５０〜１００μｍ程度の厚さのものが使用される。これらの固体高分子電解質膜の強度は３００〜５００ｋＰａ程度である。従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には５０ｋＰａ、非常時でも１００ｋＰａ以下になるように制御することが好ましい。

燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が上記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はない。一方、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンク内の圧力が高くなる。そのために、高圧力による高分子電解質膜の破断を防ぐために、燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧する事が必要となる。また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、上記の様な圧力調整機構は必要となる。

圧力調整機構は、燃料タンクと燃料電池セルの間にマイクロバルブを設け、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。例えば、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを設け、該ダイヤフラムをバルブに直結する。このダイヤフラムを用いることで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧によりバルブを駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御するバルブが開示されている。（例えば特許文献１参照）
特開平２００４−３１１９９号公報

本発明は、上記従来例をさらに発展させ、半導体ウェハ材料で構成されたマイクロバルブを保持した装置において、落下などの衝撃に対しても強く、確実に水素をシールすることができるマイクロバルブの保持方法を提供するものである。

また、本発明は、半導体ウェハ材料で構成されたマイクロバルブを保持した燃料電池において、落下などの衝撃に対しても強く、確実に水素をシールすることができ、信頼性が高く安定的に燃料供給可能な燃料電池を提供するものである。

すなわち、本発明は、半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブを用いた装置の収納部に前記マイクロバルブを保持する方法であって、前記マイクロバルブを該マイクロバルブと収納部との間に弾性部材を設けて保持することを特徴とするマイクロバルブの保持方法である。

また、本発明は、半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブを収納部に保持してなる燃料電池であって、前記マイクロバルブがマイクロバルブと収納部の間に弾性部材を設けて保持されていることを特徴とする燃料電池である。

本発明は、半導体ウェハ材料で構成されたマイクロバルブを保持した装置において、落下などの衝撃に対しても強く、確実に水素をシールすることができるマイクロバルブの保持方法を提供することができる。

また、本発明は、半導体ウェハ材料で構成されたマイクロバルブを保持した燃料電池において、落下などの衝撃に対しても強く、確実に水素をシールすることができ、信頼性が高く安定的に燃料供給可能な燃料電池を提供することができる。

本発明は、半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブを用いた装置の収納部に前記マイクロバルブを保持する方法であって、前記マイクロバルブを該マイクロバルブと収納部との間に弾性部材を用いて保持することを特徴とするマイクロバルブの保持方法である。

また、本発明は、半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブを収納部に保持してなる燃料電池であって、前記マイクロバルブがマイクロバルブと収納部の間に弾性部材を設けて保持されているマイクロバルブを有する燃料電池である。

本発明において、前記マイクロバルブの開閉方向に対して垂直な方向の外側面の少なくとも一部と、収納部の間に、弾性部材が設けられていることが好ましい。
また、前記弾性部材は弾性シール部材であることが好ましい。

また、前記マイクロバルブは、燃料タンクから燃料極へ供給する燃料ガスの圧力調整を行うバルブであることが好ましい。

以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
実施例１
（燃料電池の説明）
図２および図３を用いて、マイクロバルブを搭載した本発明の燃料電池の一実施例について説明する。図２は本発明の燃料電池の概観を表す斜視図である。図３は本発明の燃料電池のシステムの概要図である。

燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。このように本発明の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。

本実施例の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１３を有する。また、この通気孔は、生成した水を水蒸気として逃がす働きや、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。また、一方の側面には、電気を取り出すための電極１２が設けられている。電池内部は、高分子電解質膜１１２、酸化剤極１１１、燃料極１１３からなる燃料電池セル１１と、燃料を貯蔵する燃料タンク１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御するマイクロバルブ１５によって構成されている。

燃料タンク１４について説明する。タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、外気との差圧が０．１ＭＰａ以内の範囲で用いる必要がある。

水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばＬａＮｉ₅などを用いる。燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を１ｍｍ、タンク材質をチタンとすると、この時、燃料タンクの重量は５０ｇ程度となり、また、燃料タンク体積は５．２ｃｍ³になる。ＬａＮｉ₅は重量当たり１．１ｗｔ％の水素を吸脱着可能なので、燃料タンクに蓄えられている水素量は０．４ｇであり、発電可能なエネルギーは、約１１．３［Ｗ・ｈｒ］であり、従来のリチウムイオン電池の約４倍である。

一方、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａを超えるような水素吸蔵材料を超える場合には、燃料タンク１４と燃料極１１３との間に減圧のためのマイクロバルブ１５を設ける必要がある。尚、ＬａＮｉ₅の各温度における解離圧は下記の表１に示すようになっている。タンクに蓄えられた水素はマイクロバルブ１５で減圧され、燃料極１１３に供給される。また酸化剤極１１１には通気孔１３から外気が供給される。燃料電池セルで発電された電気は電極１２から小型電気機器に供給される。

（マイクロバルブの動作）
次に本実施例におけるマイクロバルブの製造方法について説明する。
本実施例で用いるマイクロバルブ１５は、まず半導体ウェハにダイヤフラム部を作製し、その上に新規ウェハを接合後、バルブ軸部を作製し、さらに、その上に新規ウェハを接合後、弁体を作製し、最後に弁体をリリース（解放）することによって、製造される。本実施例で用いられるマイクロバルブの製造方法としては、Ａ Ｄｅｂｒａｙ ｅｔ ａｌ ２００５ Ｊ． Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｏｅｎｇ． １５ Ｓ２０２−Ｓ２０９に記載されている方法を用いることができる。

次に本実施例におけるマイクロバルブの動作について詳細に説明する。
図４は本実施例で用いるマイクロバルブ１５の断面図である。図５は本実施例におけるマイクロバルブ１５の開閉の動作を示す説明図である。図５（ａ）は、マイクロバルブの閉じた状態の各部の圧力および断面積を表す説明図、図５（ｂ）はマイクロバルブが開いた状態を表す説明図である。

本実施例で用いるマイクロバルブは、気体の導入口３１と導出口３２を結ぶ流路３３と、流路３３中に設けられた弁体２５と、弁体２５とバルブ軸２３を介して連結して設けられたダイヤフラム２４を有する。前記ダイヤフラム２４は流路３３の内部３４と外部３５とを隔てて配置される。流路３３の内部３４の圧力と外部３５の圧力の差圧によって変形することにより弁体２５が変位することにより、ダイヤフラム２４は開閉する。

即ち、図５（ａ）のようにダイヤフラム上部の圧力をＰ₀、バルブ上流の１次圧力をＰ₁、バルブ下流の圧力をＰ₂とし、弁体の面積をＳ₁、ダイヤフラム面積をＳ₂とする。このとき、圧力の釣り合いから、図５（ｂ）のようにバルブが開く条件は、（Ｐ₁−Ｐ₂）Ｓ₁＜（Ｐ₀−Ｐ₂）Ｓ₂となる。Ｐ₂がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。これによって、Ｐ₂を一定に保つことができる。弁体の面積やダイヤフラムの面積、バルブ軸の長さ、ダイヤフラムの厚さなどを調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。

図６はマイクロバルブ１５を燃料電池に搭載した状態を示す概略図である。マイクロバルブ１５の１次側は、燃料タンク１４とつながっている。出口流路２６は、燃料極１１３へとつながり、ダイヤフラム２４の出口流路と反対面は酸化剤極（外気）と接している。バルブ全体のサイズは１ｃｍ角以内であり、弁体の大きさは１ｍｍ角以内となっている。このように小さなバルブ機構を実現することにより、小型燃料電池に燃料流量の制御機構を組み込むことが可能になっている。

前述の燃料電池に組み込まれた状態では燃料電池に発電停止中はマイクロバルブ１５が閉じている。そして発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がっていく。ダイヤフラム２４は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ダイヤフラム２４にバルブ軸２３で直結された弁体２５は押し下げられ、バルブは開く。これにより、燃料タンク１４から、燃料極室１１３に燃料が供給される。燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム２４は上に押し上げられ、弁体２５も押し上げられ、マイクロバルブ１５は閉じる。この一連の動作によりタンクに蓄えられた水素はマイクロバルブ１５で減圧されて燃料電池セル１１に供給される。

（マイクロバルブの保持方法）
次に、本発明のマイクロバルブの保持方法の例について、図１、図７、図８を用いて詳細に説明する。

図１は、マイクロバルブを本発明の保持方法で保持した状態の例を示す概略図である。図７は本発明のマイクロバルブの保持方法の一部分を示す斜視図である。図８は本発明のマイクロバルブの保持方法を示す斜視図である。

半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブ１５は、装置の構成部分であるハウジング下部材１８に設けられた収納部１９に収納されている。マイクロバルブ１５は、マイクロバルブ１５と収納部１９の間に弾性シール部材１６が設けられて保持されている。前記マイクロバルブ１５の開閉方向Ａと垂直方向の上下の外側面２１と収納部１９の間に、弾性シール部材１６が設けられている。

すなわち、マイクロバルブ１５はフッ素ゴム等からなるシート状の弾性シール部材１６に挟まれた状態で保持されている。そして、その上からハウジング上部材１７を乗せて、ボルト（不図示）などでハウジング下部材１８まで突き当たるまで締め付ける。それにより、弾性シール部材１６が所定の量だけ圧縮されて、マイクロバルブ１５の外気と接するダイヤフラム２４と燃料タンク１４と接するバルブ部分（弁体２５）がそれぞれシールされる。

また、ハウジング上部材１７と、ハウジング下部材１８で形成される空間部分からなる収納部１９は、別途シールされており、燃料タンク内の１次圧Ｐ₁、２次圧Ｐ₂、大気圧の外気と３つの部分がそれぞれシールされている。

前記マイクロバルブと収納部の間に設けられる弾性部材は、弾性を有する部材であればよいが、特に弾性シール部材が好ましい。弾性シール部材としてはフッ素ゴムを用いた例を説明しているが、シール性のある弾性部材ならよくシリコンゴム等でもよい、またシート形状である必要はなくＯリング形状や弾性接着剤を塗布してもよい。なお、シールとは、燃料である気体や液体等を漏れないように封止することを表す。

そして、燃料タンク１４内の水素ガスは、前述のようにマイクロバルブ１５で減圧され、減圧された水素ガスは、出口流路２６、収納部１９と流路２０を経て燃料電池セル１１の燃料極１１３に安定的に供給され燃料電池が発電する。

マイクロバルブ１５の弁体２５が圧力差に応じて開閉する方向に対して弾性を有する弾性シール部材１６を用いてマイクロバルブ１５を保持して固定するので、バルブの開閉動作や圧力差が変動したときでも弾性シール部材１６が力を吸収することができる。さらに、図１に示すようにマイクロバルブ１５全体が剛性部材に接することなくバネ性を有する弾性部材のみに保持されているため燃料電池を誤って落下させた場合にもマイクロバルブ１５を衝撃から保護することがでる。そのため、信頼性が高く安定的に燃料供給可能な燃料電池を提供することができる。

本発明のマイクロバルブの保持方法は、半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブを用いた装置に適用することができるが、装置としては、例えば燃料電池が挙げられる。

本発明の燃料電池は、半導体ウェハ材料で構成されたマイクロバルブを保持し、落下などの衝撃に対しても強く、確実に燃料をシールすることができ、信頼性が高く安定的に燃料供給可能なので、燃料電池や燃料電池を搭載した電子機器等に利用することができる。

マイクロバルブを本発明の保持方法で保持した状態を示す概略図である。 本発明の燃料電池を表す斜視図である。 本発明の燃料電池のシステムの概要図である。 本発明に用いられるマイクロバルブの断面図である。 本発明に用いられるマイクロバルブの開閉の動作を示す説明図である。 本発明に用いられるマイクロバルブを燃料電池に搭載した状態を示す概略図である。 本発明のマイクロバルブの保持方法の一部分を示す斜視図である。 本発明のマイクロバルブの保持方法を示す斜視図である。

符号の説明

１１ 燃料電池セル
１２ 電極
１３ 通気孔
１４ 燃料タンク
１５ マイクロバルブ
１６ 弾性シール部材
１７ ハウジング上部材
１８ ハウジング下部材
１９ 収納部
２０ 流路
２１ 外側面
２２ 保持部
２３ バルブ軸
２４ ダイヤフラム
２５ 弁体
２６ 出口流路
３１ 気体の導入口
３２ 気体の導出口
３３ 流路
３４ 内部
３５ 外部
１１１ 酸化剤極
１１２ 高分子電解質膜
１１３ 燃料極

Claims (7)

1. 半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブを用いた装置の収納部に前記マイクロバルブを保持する方法であって、前記マイクロバルブを該マイクロバルブと収納部との間に弾性部材を設けて保持することを特徴とするマイクロバルブの保持方法。
2. 前記マイクロバルブの開閉方向に対して垂直な方向の外側面の少なくとも一部と、収納部との間に、弾性部材を設けて保持することを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブの保持方法。
3. 前記弾性部材が弾性シール部材であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロバルブの保持方法。
4. 半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブを収納部に保持してなる燃料電池であって、前記マイクロバルブがマイクロバルブと収納部の間に弾性部材を設けて保持されていることを特徴とする燃料電池。
5. 前記マイクロバルブの開閉方向に対して垂直な方向の外側面の少なくとも一部と、収納部との間に、弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記弾性部材が弾性シール部材であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
7. 前記マイクロバルブが、燃料タンクから燃料極へ供給する燃料ガスの圧力調整を行うバルブであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかの項に記載の燃料電池。

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